DE2435637C3 - Semiconductor device with pressure contact - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbauelement, das ein Gehäuse mit einem Boden, einem Oberteil und einer Boden und Oberteil verbindenden Isolierung aufweist, wobei im Gehäuse ein zwei Hauptflächen aufweisendes Halbleiterelement eingeschlossen ist, das über mindestens ein Federelement zwischen Zuführungselektroden eingeklemmt und mit diesen über eine Weichlotschicht verbunden ist, und mit einer Stromzuführung, die mit wenigstens einer der äußeren Flächen des Gehäuses in elektrisch leitendem Kontakt steht.The present invention relates to a semiconductor arrangement with a semiconductor component, the insulation connecting a housing with a base, an upper part and a base and upper part having, wherein a semiconductor element having two main surfaces is included in the housing, the Clamped between supply electrodes via at least one spring element and with these via a Soft solder layer is connected, and with a power supply connected to at least one of the outer surfaces of the housing is in electrically conductive contact.
Eine solche Halbleiteranordnung ist beispielsweise in der DE-PS 14 39 304 beschrieben worden. Das Halbleiterelement ist dort auf einer Seite mittels einer Weichlotschicht mit einer Zuführungselektrode und auf der anderen Seite mittels einer Weichlotschicht mit dem als Zuführungseleklrode wirkenden Gehäuseboden verbunden. Das Halbleiterelement ist durch eine im Gehäuse angeordnete Sattelfelder zwischen Zuführungselektrode und Gehäuseboden eingeklemmt. Die Wand des Gehäuses weist an der Außenfläche Rillen auf, die beim Einpressen in eine Ausnehmung einer Stromzuführung oder eines Kühlkörpers verformt werden und dadurch einen geringen Wärmewiderstand und elektrischen Widerstand ermöglichen.Such a semiconductor arrangement has been described in DE-PS 14 39 304, for example. The semiconductor element is there on one side by means of a soft solder layer with a feed electrode and on the other side by means of a soft solder layer with the housing base acting as a feed electrode tied together. The semiconductor element is through a saddle field arranged in the housing between the supply electrode and case back pinched. The wall of the housing has grooves on the outer surface which deforms when pressed into a recess of a power supply or a heat sink and thereby enable a low thermal and electrical resistance.
ίο Die genannte Art der Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Stromzuführungsteil oder dem Kühlkörper ist jedoch wegen der notwendigen Härte der Wand des Gehäuses relativ aufwendig. Die genannte Verbindung ist außerdem schlecht lösbar, da beim Einsetzen des Gehäuses in die genannte \usnehmung evtl. eine Kaltverschweißung mit dem Material der Stromzuführung stattfindet.ίο The said type of connection between the Housing and the power supply part or the heat sink is due to the necessary hardness the wall of the housing relatively expensive. The connection mentioned is also difficult to solve because when inserting the housing into the mentioned recess, possibly cold welding with the Material of the power supply takes place.
Eine einfache lösbare Verbindung zwischen einem Gehäuse und einem Stromzuführungsteil bzw. einem Kühlkörper ist beispielsweise in der DE-PS 12 76 209 beschrieben worden. Dort liegt das Gehäuse mit einer ebenen Fläche an einer ebenfalls ebenen Fläche einer Zuführungselektrode an und wird durch eine Feder unter hohem Druck an diese angepreßt Gleichzeitig wird durch diese Feder der innere Kontaktdruck zwischen dem Halbleiterelement und dem Gehäuse eingestellt.A simple detachable connection between a housing and a power supply part or a Heat sink has been described in DE-PS 12 76 209, for example. There is the case with a flat surface on a likewise flat surface of a feed electrode and is controlled by a spring pressed against this under high pressure. At the same time, the internal contact pressure is generated by this spring set between the semiconductor element and the housing.
Diese Lösung ist jedoch für die eingangs erwähnte HaibieiieranurunuiiK inii unter Druck ziehendenHowever, this solution is for the aforementioned HaibieiieranurunuiiK inii pulling under pressure
JO Weichlotschichten nur dann brauchbar, wenn für den inneren und äußeren Kontaktdruck jeweils ein getrenntes Federsystem verwendet wird, da die Lotschicht nur wesentlich kleinere Drucke verträgt als für den äußeren Kontakt notwendig ist.JO soft solder layers can only be used if for the internal and external contact pressure each a separate spring system is used as the solder layer only withstands significantly smaller prints than is necessary for external contact.
J5 Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß zur Erzeugung des inneren und äußeren Kontaktdrucks nur ein einziges Federsystem benötigt wird, wobei jedochJ5 The object on which the present invention is based is to provide a semiconductor device of To develop the type mentioned at the beginning in such a way that only to generate the internal and external contact pressure a single spring system is needed, however
•»ο die mit der Stromzuführung in Koni, kt stehende Fläche des Gehäuses eine ausreichende Größe aufweisen soll.• »ο the surface standing with the power supply in Koni, kt of the housing should be of sufficient size.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine der äußeren Flächen des Gehäuses mit der Normalen zu den Hauptflächen des Halbleiterelements einen Winkel von größer als 0° und kleiner als 45° einschließt, daß die Stromzuführung eine zu den äußeren Flächen passende Gegenfläche aufweist, die mit der genannten Normalen den gleichen Winkel wie die äußere Fläche des Gehäuses einschließt, und daß das FederelementThe invention is characterized in that one of the outer surfaces of the housing is normal to the main surfaces of the semiconductor element forms an angle of greater than 0 ° and less than 45 ° that the Power supply has a mating surface that matches the outer surfaces and that corresponds to the normal mentioned encloses the same angle as the outer surface of the housing, and that the spring element
V) außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und das Gehäuse an die Stromzuführung anpreßt.V) is arranged outside the housing and that Housing pressed against the power supply.
Zweckmäßigerweise kann der Boden des Gehäuses einen Kegelstumpf aufweisen, der in einer in der Stromzuführung vorgesehenen konischen Aussparung sitzt. Es ist auch die umgekehrte Lösung möglich, bei der der Boden des Gehäuses eine konische Aussparung aufweist, in der ein zur Stromzuführung gehörenderThe bottom of the housing can expediently have a truncated cone, which is in a Power supply provided conical recess sits. The reverse solution is also possible, in which the bottom of the housing has a conical recess in which one of the power supply lines
wenn der Gehäuseboden selbst konisch ausgebildet ist und in einer in der Stromzuführung vorgesehenen konischen Ausnehmung sitzt. Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung ergibt sich, wenn der Boden des Gehäuses an der Unterseite einen Ringwulst aufweist, dessen Flanken die Kontaktflächen bilden und der in einer Ringnut sitzt, die in der Stromzuführung angebracht ist. Der genannte Winkel liegt zweckmäßigerweise zwischen Γ und 12°.if the housing base itself is conical and provided in one in the power supply conical recess sits. Another useful embodiment results when the bottom of the Housing has an annular bead on the underside, the flanks of which form the contact surfaces and which in an annular groove that is attached to the power supply. The mentioned angle is expediently between Γ and 12 °.
In der US-PS 28B9 498 ist bereits cine llalbleiierunordnung beschrieben, bei der das Gehäuse deb Halbleiterbauelements einen Kegelstumpf aufweist, der in einem konischen Loch einer Stromzuführung sitzt. Bei diesem Halbleiterbauelement ist das Halbleiterelement jedoch zwischen die Zuführungselektroden eingelötet, ohne unter Federdruck zu stehen, so daß dort das der Erfindung zugrunde liegende Problem nicht auftritt.In US Pat. No. 28B9,498, there is already a llallbleiier disorder described in which the housing deb Semiconductor component has a truncated cone which sits in a conical hole of a power supply. In this semiconductor component, however, the semiconductor element is between the lead electrodes soldered in without being under spring pressure, so that the problem on which the invention is based is not there occurs.
Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail by means of a few exemplary embodiments in conjunction with FIGS. 1 to 5 explained. It shows
Fig. 1 den Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterbauelement und einer Stromzuführung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 1 shows the cross section through a semiconductor arrangement with a semiconductor component and a Power supply according to a first embodiment,
F i g. 2 einen Ausschnitt der Stromzuführung und ein Diagramm der auftretenden Kräfte,F i g. 2 a section of the power supply and a Diagram of the occurring forces,
Fig.3 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem der Einfachheit halber nur der Boden des Gehäuses und ein Teil der Stromzuführung gezeigt ist,3 shows a section through a second embodiment in which, for the sake of simplicity, only the bottom the housing and part of the power supply is shown,
Fig.4 vereinfacht ein drittes Ausführui^sbeispiel und4 simplifies a third embodiment example and
In Fig. 1 ist das Halbleiterbauelement mit 1 bezeichnet.The semiconductor component is denoted by 1 in FIG. 1.
Es weist ein Gehäuse mit einem Boden 2, ein Oberteil .3 und eine Boden und Oberteil verbindende Isolierung 4 auf. Diese Isolierung ist hier z. B. ein Ring pus einer thermoplastischen Masse. Eine der äußeren Flächen des Gehäuses, nämlich des Bodens 2, steht mit einer Stromzuführung 5 in Kontakt. Die Stromzuführung 5 kann auch ein Kühlkörper sein.It has a housing with a base 2, an upper part 3 and an insulation 4 connecting the base and the upper part on. This isolation is here z. B. a ring pus one thermoplastic mass. One of the outer surfaces of the housing, namely the bottom 2, stands with a Power supply 5 in contact. The power supply 5 can also be a heat sink.
Der Boden 2 des Gehäuses ist mit einem Kegelstumpf 14 versehen, der in einer konischen Aussparung 15 (F i g. 2) der Stromzuführung 5 sitzt. Ein Teil der äußeren Räche des Bodens 2, nämlich die Umfangsfläche des Kegelstumpfes 14, steht mit einer die konische Aussparung 15 begrenzenden Gegenfläche 16 in Kontakt.The bottom 2 of the housing is provided with a truncated cone 14 which is in a conical recess 15 (F i g. 2) of the power supply 5 is seated. Part of the outer surface of the bottom 2, namely the peripheral surface of the truncated cone 14 stands with a counter surface 16 delimiting the conical recess 15 Contact.
Im Gehäuse ist ein Halbleiterelement 8 eingeschlossen, dessen Hauptflächen 6 und 7 mittels Weichlotschichten 12 bzw. U mit dem Boden 2 des Gehäuses bzw. einer Zuführungselektrode 9 verbunden sind. Der Boden 2 dient in diesem Fall als untere Zuführungselektrode. Die Kontaktelektrode 9 trägt auf der Oberseite einen balligen Abschnitt 10, der an die Kappe 3 anstößt.A semiconductor element 8 is enclosed in the housing, its main surfaces 6 and 7 with the bottom 2 of the housing by means of soft solder layers 12 and U, respectively or a feed electrode 9 are connected. In this case, the bottom 2 serves as the lower supply electrode. The contact electrode 9 has a spherical section 10 on the upper side which abuts the cap 3.
Der zur Stabilisierung der Lotschichten erforderliche innere Kontaktdruck für das Halbleiterelement und der äußere Kontaktdruck zwischen dem Gehäuse und der Stromzuführung wird durch ein Federelement erzielt, das z. B. aus zwei Tellerfeiiern 18 und 19 besteht. Diese drücken über eine obere Stromzuführung 17 auf das Oberteil 3 des Gehäuses, wobei sie sich über eine Isolierplatte 21 gegen eine beispielsweise aus Stahl bestehende Kappe 22 abstützen, die über Krallen 23 an der Stromzuführung 5 befestigt ist. Zwischen der Isolierplatte 21 und der oberen Tellerfeder 19 liegt eine Druckplatte 20 die den Druck auf die Isolierscheibe 21 gleichmäßig verteilt. Der Kontaktdruck kann jedochThe one required to stabilize the solder layers internal contact pressure for the semiconductor element and the external contact pressure between the housing and the Power supply is achieved by a spring element which, for. B. consists of two plates 18 and 19. These press via an upper power supply 17 on the upper part 3 of the housing, wherein they are about a Support the insulating plate 21 against a cap 22 made of steel, for example, which is attached via claws 23 the power supply 5 is attached. Between the insulating plate 21 and the upper plate spring 19 is a Pressure plate 20 which evenly distributes the pressure on the insulating disk 21. However, the contact pressure can
auch durch beliebige andere Anordnungen erreicht werden.can also be achieved by any other arrangement.
Die Außenfläche des Kegelstumpfes 14 und entsprechend die Gegenfläche 16 der Stromzuführung 5 sind gegen die Normale auf die Hauptflächen des Halbleilerelements 8 um einen Winkel größer als 0" und kleiner als 45°, vorzugsweise größer als 1° und kleiner als 12°, geneigtThe outer surface of the truncated cone 14 and accordingly the opposite surface 16 of the power supply 5 are against the normal on the main surfaces of the semiconductor element 8 at an angle greater than 0 "and less than 45 °, preferably greater than 1 ° and less than 12 °, inclined
In vorliegendem Ausführungsbeispiel sei der Winkel etwa 5°. Dann erhält man bei einer Flächengröße des Halbleiterelements von etwa 10 mm2, einer Außenfläche des Kegelstumpfes 14 von etwa 20 bis 30 mm2 und einer senkrecht auf die Kappe des Gehäuses einwirkenden Kraft von 10 bis 13 dN eine senkrecht zur geneigten äußeren Fläche wirkende Kraft zwischen 120 und 15OdN. Damit ergeben sich Drücke für das Halbleiterelement zwischen 1 und I,5dN/mm2 und für den äußeren Kontakt zwischen 4 und 7 dM/mm2.In the present exemplary embodiment, the angle is approximately 5 °. Then with a surface size of the semiconductor element of about 10 mm 2 , an outer surface of the truncated cone 14 of about 20 to 30 mm 2 and a force of 10 to 13 dN acting perpendicularly on the cap of the housing, a force acting perpendicular to the inclined outer surface between 120 and 15OdN. This results in pressures between 1 and 1.5 dN / mm 2 for the semiconductor element and between 4 and 7 dM / mm 2 for the external contact.
Die Zerlegung der Kräfte nach ihren Komponenten gemäß Fi·». 2 verdeutlicht dies. Die auf das Halbleiter element einwirkende Kraft über'.igt damit nicht diejenige Kraft, bei der das Halbleiterelement und d;e Lotschicht zerstört werden, während andererseits an der äußeren Kontaktstelle ein zum Aufreißen von Oxidschichten an der Fläche 16 und der Fläche des Kegelstumpfs 14 benötigter hoher Druck vorhanden ist. Außerdem bleibt der hohe Kontaktdruck dauerhaft erhalten, solange das Federelement das Gehäuse an die Stromzuführung anpreßt.The decomposition of the forces according to their components according to Fi · ». 2 illustrates this. The one on the semiconductor The force acting on the element is therefore not overwhelming that force at which the semiconductor element and d; e Solder layer will be destroyed, while on the other hand at the outer contact point one to tear open Oxide layers on the surface 16 and the surface of the truncated cone 14 required high pressure is present. In addition, the high contact pressure is permanently maintained as long as the spring element is attached to the housing Power supply presses.
Ein zweites Ausführungsbeispiel narh F i g. 3 unterscheidet sich vom vorhergehenden Ausführungsbeispiel im wesentlichen dadurch, daß hier der Boden 25 des Gehäuses mit einer konischen Ausnehmung 26 versehen ist. in der ein zu einer Stromzuführung 24 gehörender Kegelstumpf 27 sitzt. Dieser Kegelstumpf ist mittels eines Bolzens 28 in eine Ausnehmung der Stromzuführung 24 eingepaßt. Statt des Kegelstumpfes kann das Teil 24 aurh mit einer entsprechenden Durchprägung versehen sein.A second exemplary embodiment narh F i g. 3 differs from the previous embodiment essentially in that the bottom 25 of the housing is provided with a conical recess 26 here is. in which a truncated cone 27 belonging to a power supply 24 is seated. This truncated cone is by means of of a bolt 28 fitted into a recess in the power supply 24. Instead of the truncated cone, it can Part 24 must be provided with a corresponding embossing.
Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 weist der Boden 31 des Gehäuses an der Unterseite eine Ringwulst 33 auf deren Flanken die Kontaktflächen bilden. Die Ringwulst 33 sitzt in einer Ringnut 32 einer Stromzuführung 30, wobei die Flanken der Ringnut die zu den Flanken der Ringwulst passenden Gegenfläclien bilden. Der eingezeichnete Winkel veranschaulicht den doppelten Betrag der Neigung der äußeren Flächen zur Normalen der Hauptflächen des HalbleiterelementsIn the embodiment according to FIG. 4 indicates the bottom 31 of the housing on the underside an annular bead 33 on the flanks of which form the contact surfaces. the Annular bead 33 sits in an annular groove 32 of a power supply 30, the flanks of the annular groove to the Form the flanks of the annular bulge with matching counter surfaces. The drawn angle illustrates the double Amount of inclination of the outer surfaces to the normal to the main surfaces of the semiconductor element
Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 weist einen Gehäuseboden 35 auf. der an seiner Außenfläche selbst konisch ausgebildet ist und in einer konischen Ausnehmung einer Stromzuführung sitzt. Das Halbleiterelement ist hier nur schematisch mit 36 bezeichnet.Another embodiment of FIG. 5 has a housing bottom 35. which is conical on its outer surface itself and in a conical Seated recess of a power supply. The semiconductor element is designated here only schematically by 36.
Mi' der Anordnung gemäß der Erfindung wird erreicht, daß der äußere Kontaktdruck erhalten bleibt, solange das Fedcrelemeni das Gehäuse an die Stromzuführung anpreßt Eine durch Fließen de«· Gehäusematerials verursachte Verformung, die bei Kupfer nicht zu vernachlässigen ist. bleibt damit ohne Einfluß auf den -.iektrischen und thermischen Obergangswiderstand. With the arrangement according to the invention it is achieved that the external contact pressure is maintained, as long as the Fedcrelemeni attaches the housing to the Power supply presses one by flowing de «· Deformation caused by the housing material, which cannot be neglected in the case of copper. remains without Influence on the electrical and thermal transition resistance.
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---|---|---|---|
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